COSMOS-z3.1-A visar hur universums största galaxsystem byggdes

COSMOS-z3.1-A är en sällsynt inblick i en protosuperhop: ett tidigt förstadium till en framtida superhop, alltså ett system av flera galaxhopar. Strukturen observerades när universum bara var omkring 2,1 miljarder år gammalt. Astronomerna uppskattar att den redan har en massa på ungefär 5 000 gånger Vintergatans och att den kan utvecklas till ett system som är mer massivt än Comahopen, en av de största välkända galaxhoparna i vår närliggande del av universum. Den framtida massan är dock en modellbaserad uppskattning från den observerade överdensiteten och modeller för strukturernas tillväxt – inte en direkt mätning av dess slutliga massa. 15

Ett ovanligt tidigt bygge i den kosmiska väven

Det internationella forskarlaget identifierade COSMOS-z3.1-A som den mest avlägsna kända föregångaren till en galaxsuperhop. Den är mer sällsynt än en vanlig protohop: i stället för att enbart vara ett tidigt stadium av en galaxhop är den en växande större struktur som väntas bli ett system av massiva galaxhopar. 7

COSMOS-z3.1-A ser inte ut som en enda färdig, rund galaxhop. Den är ojämn och klumpig, med flera täta komponenter i ett exceptionellt överdådigt område där filament i den så kallade kosmiska väven möts. Filamentliknande utlöpare tycks länka samman och mata de täta kärnorna. 14

Forskargruppens uppskattningar av strukturernas framtida massa pekar på att COSMOS-z3.1-A, tillsammans med COSMOS-z3.1-C, kan få en sammanlagd massa som överstiger Comahopens vid rödskift noll – alltså i dagens universum. Studien anger beräknade efterföljarmassor på minst (10^{15,3}) solmassor för dessa extrema system. 1

Så blev en fläck på himlen en tredimensionell karta

Upptäckten började med ODIN-projektet, som söker efter protohopar vid stora rödskift genom att använda galaxer med Lyman-alfa-emission som spårämnen. I COSMOS-fältet använde ODIN smalbandsbilder från Dark Energy Camera (DECam) för att hitta koncentrationer av galaxer vid rödskift 3,1. 335

En tät gruppering på en tvådimensionell himmelsbild räcker inte för att visa att galaxerna verkligen hör ihop fysiskt. Därför kompletterade teamet med spektroskopiska observationer från Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), GMOS-instrumentet vid Gemini South och DEIMOS på Keck II. Mätningarna av galaxernas rödskift gjorde det möjligt att återskapa deras tredimensionella fördelning och avslöjade både de täta kärnorna och den större omgivande miljön. 135

Metoden gjorde också filamenten synliga genom hur de spårade galaxerna är fördelade. Resultatet är alltså inte bara en katalog över ovanligt avlägsna galaxer, utan en karta över en storskalig miljö som håller på att ta form. 1

Stöd för ett universum som byggs underifrån

I modern kosmologi beskrivs strukturbildning som hierarkisk: mindre koncentrationer av materia uppstår först och slås sedan samman eller drar till sig mer material, så att allt större system växer fram. COSMOS-z3.1-A stämmer med den bilden. Den består av flera komponenter under utveckling, inbäddade i ett nätverk av filament, snarare än en enda färdig galaxhop. 17

Placeringen vid mötespunkter i den kosmiska väven är särskilt betydelsefull. Filamenten kan leda galaxer och materia in mot täta noder, vilket hjälper de separata delarna av en protosuperhop att växa till ett mer massivt system över kosmisk tid. Observationen ger därmed ett ovanligt tidigt exempel på mellansteget mellan mindre protohopar och de allra största galaxhopsystemen som ses i närheten i dag. 14

Kopplingen till JWST:s fynd av ”dolda” stjärnor

COSMOS-z3.1-A handlar om hur storskaliga miljöer växer: områden rika på mörk materia, galaxgrupper, filament och protohopar. Ett separat resultat från James Webb-teleskopet, JWST, gäller i stället stjärnpopulationerna inne i enskilda tidiga galaxer.

I JWST-studien fann forskare som undersökte nio massiva tidiga galaxer tecken på betydligt fler svaga stjärnor med låg massa än man vanligtvis antar. De stjärnorna bidrar med mycket massa men lite ljus. Därför kan vissa uppskattningar av galaxernas stjärnmassa behöva höjas till tre eller fyra gånger tidigare värden; det mest extrema rapporterade fallet närmade sig en fyrdubbling. 192027

Fynden kompletterar varandra, men det ena förklarar inte automatiskt det andra. En protosuperhop som får materia via filament är en rimlig miljö för snabb galaxuppbyggnad, medan en stjärnpopulation med ovanligt många lågmassestjärnor förändrar uppskattningen av hur mycket stjärnmassa som kan döljas i vissa galaxer. Att förklara både den snabba uppbyggnaden av täta miljöer och den exakta blandningen av stjärnor i deras galaxer är fortfarande en central utmaning för modeller av det tidiga universum. 11722

Nästa steg: bredare kartor från Rubinobservatoriet

Vera C. Rubin Observatory har inlett Legacy Survey of Space and Time, LSST, och en första vetenskapsinriktad datautgåva från LSST-kameran omfattade djupa observationer av COSMOS-fältet. 3336

Rubins breda och djupa avbildning kan hjälpa astronomer att hitta fler kandidater till täta områden vid höga rödskift över stora delar av himlen. Spektroskopi förblir ändå avgörande: den ger de precisa rödskift som behövs för att skilja en verklig tredimensionell protosuperhop från galaxer som bara råkar ligga nära varandra i en bild. ODIN:s arbete med COSMOS-z3.1-A visar varför kombinationen av vidfältsavbildning och både bred, riktad spektroskopi är så kraftfull. 13